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IceCube convierte el planeta en un detector de neutrinos gigante

Pruebas de energías miles de veces más altos que los aceleradores pueden ir.

Agrandar / La instalación IceCube se sienta en el Polo Sur por encima de una matriz de fotodetectores, dibujado en la imagen superior.

Los neutrinos son una de las partículas más abundantes por ahí, ya que pasan a través de billones que cada segundo. Pero son muy difíciles de trabajar. Son sin carga, por lo que no pueden controlar su trayectoria o acelerarlas. También son casi sin masa y apenas interactúan con otros materiales, por lo que son difíciles de detectar. Todo esto significa que muchas de las predicciones nuestras teorías de la física hacen sobre los neutrinos son difíciles de probar.

los detector IceCube, Ubicada en el Polo Sur, ahora se ha confirmado una parte del modelo estándar de la física, que describe las propiedades de las partículas fundamentales y sus interacciones. De acuerdo con el modelo estándar, los neutrinos deberían ser más propensos a interactuar con otras partículas como su energía aumenta. Para probar esto, el equipo utilizado IceCube neutrinos miles de veces más energía que nuestros mejores aceleradores de partículas pueden hacer y utilizar todo el planeta como un objetivo.

cubo de polar

IceCube consists of hundreds of detectors buried in the ice under the South Pole. These detectors pick up particles that move through the ice. In some cases, IceCube sees a spray of particles and photons when something slams into one of the atoms in the ice. In other cases, particles simply nudge the atoms, liberating a few photons. There’s no neutrino source pointed at IceCube, though. Instead, it relies on natural sources of neutrinos. Some of these are produced far away in space, and travel great distances to Earth. Others are produced as cosmic rays slam into the atmosphere.

In either case, their energies can be immense compared to the best our particle accelerators can do. For the new work, the data included neutrinos with energies as high as 980 Tera-electronVolts. For comparison, the Large Hadron Collider accelerates its protons to a mere 6.5TeV—and only smaller accelerators are used to produce neutrinos.

Because of these immense energies, IceCube is well placed to test a Standard Model prediction: neutrinos are more likely to interact with matter at higher energies. (Physicists refer to the probability of an interaction as a “cross section.”) While we’ve tested this with neutrinos that are produced by some particle accelerators, the tests have only covered a narrow range of energies at the low end of the spectrum. While these tests agreed with the Standard Model, the energies involved never got high enough for the cross section to change.

Si IceCube basó únicamente en los neutrinos que interactúan con la materia dentro del detector, sin embargo, se necesitarían años para acumular suficientes colisiones para probar cosas. Así que en lugar, el equipo de IceCube utiliza toda la Tierra. Es capaz de detectar la trayectoria de partículas toman a medida que pasan a través del detector. Así que el equipo fue capaz de identificar los neutrinos que pasaron por el detector mediante la introducción en el lateral. Estos serían los neutrinos que interceptaron la Tierra tangencialmente en el mismo Polo Sur y así interactuaron con muy poca materia.

El equipo comparó el IceCube neutrinos que llegó tangencialmente a los que vinieron a través de la Tierra en diferentes ángulos.
Agrandar / El equipo comparó el IceCube neutrinos que llegó tangencialmente a los que vinieron a través de la Tierra en diferentes ángulos.

Estos fueron comparados con partículas que llegaron desde pasó por debajo y por lo tanto a través de gran parte de la Tierra en el camino. A bajas energías, las interacciones de neutrinos son tan raro que esto hace poca diferencia. En suficientemente altas energías, sin embargo, la Tierra debe proporcionar una prueba de frecuencias de interacción.

Siendo el estándar

Como se predijo, el número de neutrinos que llegan a través de la tierra se redujo en comparación con los que vienen en forma tangencial. Y su frecuencia se redujo aún más como un producto de la energía. Mientras aún había más neutrinos que llegan de lo predicho por el modelo estándar, la incertidumbre experimental era lo suficientemente grande que los resultados eran completamente consistentes con nuestra teoría.

Across the energy range involved here, the increase in interactions went up in a linear fashion as the energy increased. But there was a slight hint of a curve in the data. This is expected because neutrinos interact with regular matter via two particles called the W and Z bosons. Their mass causes a slight deviation from the linear relationship. We’ll need more data to really know for sure, but the new analysis was only done with a single year’s worth of data from IceCube, and we have six additional years to work with. So expect to hear more on that soon.

El extremo superior del rango de energía, por lo 980TeV, se establece simplemente por el hecho de que había muy pocos neutrinos a energías por encima de eso. Una vez más, con más datos, debemos ser capaces de extender este análisis a cabo más. Eso es bastante importante, ya que hay una serie de ideas-extra hipotéticas dimensiones, las partículas no descubiertas llamados leptoquarks-que requieren de la tasa de interacciones que aumentan dramáticamente a altas energías. Por lo que podríamos estar acercando a probar algunas de estas ideas.

Mientras tanto, la gente IceCube también han estado hablando con los geólogos. En un video que anuncia sus resultados, Señalan que algunos de los neutrinos que pasan a través de la Tierra pasará a través del núcleo y otros se pastar a través evitando al mismo tiempo la misma. Con datos suficientes, esto nos permitirá tener una idea de las propiedades del material del núcleo de la Tierra, algo que ha sido muy difícil de probar.

Naturaleza, 2017. DOI: 10.1038 / nature24459 (sobre DOI).

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